自承式圓弧輸水鋼管跨河段受力分析

吳志剛

（甘肅省水利水電勘測設計研究院有限責任公司,甘肅 蘭州 730000）

1 引言

自承式圓弧形拱管是輸水管道跨河建筑物設計中一種常見的型式,是利用輸水鋼管自身支撐跨越河道的一種跨河交叉設計方式,其優點是美觀且與周圍環境協調,施工方便, 一般不進行水下施工,后期管理維護檢修方便等。但設計中結構設計（矢跨比、管道壁厚、 支墩以及基礎埋深、排氣閥等）不當,荷載及外部因素考慮不全面,會影響管道壽命和使用 年限,后期運行中也容易遭到外界因素破壞,應加以防護。在《自承式圓弧形架空鋼管圖集》（06S506-2）和《自承式給水鋼管跨越結構設計規程》（CECS 214-2006）（后簡稱設計規程）中對拱管布置和結構設計、荷載組合、內力計算強度校核以及穩定性驗算進行詳細的闡述。本文以某輸水工程中輸水管道跨河為例,輸水管道與河流交叉28 處,管材為鋼管,管徑為2.4 m～0.6 m,除管徑2.4 m～2.2 m且地質條件較好的4 處采用頂管,河道寬度不足10 m的7 處采用直埋下穿外,其余全部采用自承式圓弧拱管。本文根據《圖集》《設計規程》中有關規定選取DN1000 輸水管道進行跨河段初步設計,包括基本參數選取計算、荷載組合并進行內力計算,后采用理正結構軟件進行圓弧拱管鋼管強度計算。

2 自承式拱管設計

2.1 拱管布置

輸水管道管線布置在河道過縣城段與河道垂直交叉,根據現有河道治理資料,河道寬度49.4 m左右,河床沖刷深度1.1 m,本文采用自承式圓弧拱管跨河設計,輸水管此段設計管徑1.0 m,管內工作壓力0.9 MPa,設計跨度54.0 m,為保證拱管結構穩定,矢跨比采用 =1/6,壁厚10 mm,兩端支墩尺寸按照設計圖紙選取并優化,支墩基礎埋深應滿足防凍及沖刷深度要求,在架空鋼管頂部設置自動排氣閥,以防止管道產生顫動而影響管道結構安全。拱管設計應嚴格按照《自承式圓弧形架空鋼管圖集》（06S 506-2）和《自承式給水鋼管跨越結構設計規程》（ CECS 214-2006）中有關規定布置和設計。自承式拱管結構設計見圖 1。

圖1 自承式圓弧拱管縱剖面布置圖

基本參數：項目所在地基本風壓ω0為 0.35 kN/m2,根據工程區氣象資料查的,工程區溫差標準值30°C,不考慮雪荷載的影響。

2.2 基本地質情況

管道沿河道左岸布置,其中過縣城段需橫跨河道,管道沿線地表出露的全為第四系洪積層,上部3.5 m～6.8 m,其下以粉質粘土、淤泥質粘土為主,局部夾有粉砂,淤泥層埋深多在 6.8 m以下,基礎大部可置于粉質粘土上,承載力滿足要求,地下水活動微弱,基礎抗滑穩定性好,不存在沉降變形問題,地基土中無粉砂、粉砂土,可不考慮地震液化問題,基礎開挖邊坡全為土質邊坡,土質密實,透水性中等,地下水活動微弱,不易發生滲透變形,開挖邊坡及基礎中等穩定。

工程區位于地震基本烈度 7 度,地震加速度值 0.2 g,地基承載力值為 0.26 GPa。

3 自承式拱管受力分析

3.1 基本設計參數

自承式圓弧拱管進行受力分析時,首先要對拱管基本參數進行確定,本文結合結構設 計、地質及水文資料等,確定基本參數見表1。計算簡圖見圖2。

圖2 計算簡圖

表1 自承式圓弧拱管基本參數表

3.2 內力計算

3.2.1 荷載計算

作用在輸水鋼管上的荷載主要有鋼管自重、管道內外防腐材料重、管道內水重、靜水壓力、風荷載以及溫度作用、施工荷載等[1],計算荷載組合參照《自承式給水鋼管跨越結構設計規程》（CECS 214-2006）中表 5.2.7。各種荷載計算如下：

（1）圓拱平面內沿拱軸均布的垂直荷載q：

施工荷載 qi：qi=D2×2=2.044 kN/m2

附屬設施 qt：取 qt=0.55 kN/m

永久荷載 q1：q1=1.2（qs+qt）+1.27qw=13.886 kN/m

可變荷載 q2：q2=1.4 qi=2.862 kN/m

垂直荷載 q：q=q1+q2=16.747 kN/m

（2）垂直于拱平面沿拱軸均布的均布荷載（風荷載）P：

式中：ωo為基本風壓 ,取值 0.35 kN/m2；βz、

z分別為高度 z處的風振系數、風荷載體型系數和風壓高度變化系數,根據《建筑結構荷載規范》得到參數值分別為 1.0、0.7 和 1.1。計算得到均布荷載 P=0.386 kN/m。

（3）溫度變化：ΔT=30℃。

3.2.2 內力計算

自承式拱管在各種荷載組合作用下,在拱腳處產生的內力最大,是輸水鋼管最容易破的地方,在設計時要對拱腳產生的內力進行計算,主要包括沿拱軸的均布垂直荷載作用、溫度變化、水平均布風荷載和半跨作用均布荷載四個部分,計算時分別進行計算,再進行疊加,求出內力值[2]。本文以沿拱軸的均布垂直荷載作用,在拱腳處產生的內力為例進行計算,其余部分荷載產生的內力計算方法與其相同,計算公式采用《自承式給水鋼管跨越結構設計規程》（CECS 214-2006）中拱管內力計算公式,各內力參數按照《設計規程》中附錄 A～附錄 D 進行選取。由沿拱軸的均布垂直荷載作用,在拱腳處產生的內力計算如下：

式中：HAg、NAg、VAg、MAg分別為拱腳處的水平推力、軸向力、剪切力和豎向反力,N,正負見表2說明；MAg為拱腳處彎矩值,N·mm；KHg、KNg、KVg、KMg為內力系數,取值見《設計規范》附錄A～附錄D；其余符號取值見表1。

其余荷載作用產生的內力計算方法同沿拱軸的均布垂直荷載作用,在拱腳處產生的內力值,計算結果見表 2。

圖3 沿拱軸的均布垂直荷載作用下內力圖

表2 各種荷載作用下拱腳處產生的內力值

3.3 強度復核

3.3.1 理正結構設計參數確定

自承式拱管強度復核主要按滿跨和半跨兩種不利情況下各種效應組合作用進行驗算[3],通過計算固定端（拱腳）以及里固定端 0.55 處截面最大組合折算應力,計算原理主要是根據結構力學相關知識,但計算過程需要耗費大量的時間和精力,計算過程 中也容易出錯,為提高拱管設計的準確性,避免大量計算造成的失誤以及提高工作效率,本文采用理正結構軟件進行強度校核,計算時輸入基本參數和內力值后,程序自動計算得到結果,準確性高,歷時較短,篇幅所限,本文僅對滿跨工況下拱腳處的強度進行計算,固定端處截面最大組合折算應力計算方法相同,半跨工況時重新輸入設計參數進行計算即可,理正結構計算截面見圖4,滿跨和半跨兩種不利情況下強度復核結果值見表3。

圖4 理正結構計算截面截圖

3.3.2 計算過程及計算結果

（1）內力計算

考慮扭轉作用的平面外彎矩：

（2） 軸向應力

內力產生的軸向應力：

內表面局部縱向應力：

總的縱向應力：

（3）剪切應力

（4）折算應力最大值

表3 滿跨和半跨兩種不利情況下強度復核結果值

經計算,兩種工況下自承式拱管強度均滿足設計要求。

4 結論及建議

自承式拱管可以充分利用地形,施工維護簡便,施工后造型美觀,具有很高的美學價 值,達到了工程與自然的和諧統一。自承式圓弧拱管跨河設計不僅可以應用在水利管道,在石油、天然氣以及輸水拱管結合人行橋設計中都具有較高的利用。本文依據結構力學方面的知識,采用理正結構進行拱管受力計算,大大簡化了計算過程,提高了計算精度和準確性,使得拱管設計更加安全穩定。